機艙排氣系統(tǒng)的布置和檢驗

1、機艙排氣系統(tǒng)的布置和檢驗燃料在柴油機氣缸內(nèi)燃燒后，產(chǎn)生的能量除了做功用于推進或者發(fā)電等用途外，還有相當多的能量在排氣系統(tǒng)被排放。而排放氣體除了造成大氣污染外，還會引起噪聲污染。如何利用這些能量呢，當前船用柴油機基本都配置了增壓器，而增壓器除了曲軸傳動驅(qū)動外，毫無例外的利用廢氣能量驅(qū)動渦輪增壓，前者幾乎絕跡。此外，排氣余熱還可以供鍋爐產(chǎn)生蒸汽，為船上其他系統(tǒng)服務。上述一套系統(tǒng)就組成了船上的機艙排氣系統(tǒng)，機艙排氣系統(tǒng)還包括鍋爐、焚燒爐、惰性氣體發(fā)生器和燃氣輪機的排煙管。排氣系統(tǒng)包括這樣幾個主要部分：排氣管、膨脹接頭或波紋管、廢氣鍋爐、經(jīng)濟器或熱水鍋爐、消音器和火星熄滅器。為了更好利用熱能，同時不影

2、響主機功效，排氣系統(tǒng)必需考慮氣體流速、渦輪增壓器之后的最大背壓、渦輪增壓器出口的廢氣溫度、廢氣的最大允許壓降、排氣管軸向和徑向變形后承受熱脹冷縮的能力等，同時出于降噪的目的，如何選擇合適的消聲設施。下文結(jié)合MAN的資料和船級社規(guī)范，一一綻開。燃料在柴油機的氣缸組燃燒后，產(chǎn)生的廢氣被送到廢氣收集器，廢氣收集器也稱為排氣集管。在廢氣收集器里，不同氣缸產(chǎn)生的波動壓力被緩沖后趨于穩(wěn)定，這樣具有連續(xù)穩(wěn)定要的廢氣才被送到渦輪增壓器，利用廢氣熱能驅(qū)動葉輪掃入更多的新奇空氣進入氣缸，支持燃燒。背壓和壓力損失在設計排氣系統(tǒng)的時候，一件最重要的事情就是考慮渦輪增壓器上的背壓，在柴油機最大連續(xù)額定功率MCR時，排氣

3、系統(tǒng)的背壓取決于廢氣流速，即背壓與排氣速度的平方成正比例。在MAN柴油機說明書中這樣描述，根據(jù)通常的造船實踐，為了避免排氣管中過高的壓力損失，排氣速度在MCR時保持在35米/秒至50米/秒為宜。在確定排氣管直徑的時候，MAN推薦了四種排氣速度：35米/秒，40米/秒、45米/秒和50米/秒。當然，假如排氣系統(tǒng)安裝了其他的排氣旁通設備，例如前文提到的鍋爐和經(jīng)濟器、火星熄滅器等，也會影響排氣壓力。所以在選擇這些設備時，一定要考慮主機廠家說明書中規(guī)定的最大壓力損失。因此BV規(guī)范C篇第10節(jié)，第18.2.3條有這樣的規(guī)定，“排氣管的設計，應使得壓力損失不超過發(fā)動機或鍋爐制造廠規(guī)定的最大允許值”。在MC

4、R時，渦輪增壓器后的總背壓不能超過350毫米水柱，因為營運時還會產(chǎn)生煙灰沉積物，為了確保最終整個系統(tǒng)具有一定的背壓裕度，MAN建議在設計初始階段，可以取300毫米水柱。1毫米水柱WC等于0.0001bar，試航的時候，背壓可以通過在增壓器之后的接頭連接一個U型壓力計來驗證。只要總的背壓滿意廠家的要求，排氣管上其他的那些設備都可以單獨選擇，總排氣背壓已經(jīng)包括了管系和全部其他設備的壓力損失。廢氣鍋爐壓力損失廢氣鍋爐通常安裝在柴油機上方或煙囪內(nèi)，它的效率受通過鍋爐的廢氣背壓的影響，而監(jiān)測背壓的參數(shù)還會受到四周環(huán)境條件的影響，監(jiān)測背壓的參數(shù)主要是排氣溫度和排氣流速。假如安裝了廢氣鍋爐，而沒有安裝其他的

5、EGB，例如火星熄滅器和消音器等，那么MAN建議通過廢氣鍋爐的壓力損失為通常為150毫米水柱，或者適當高點，反之，排氣系統(tǒng)同時安裝了廢氣鍋爐、消音器等，則通過廢氣鍋爐的最高壓力損失可以略低于150毫米水柱。當然，這個壓力損失也包括進出口的過渡部件。消音器壓力損失柴油機排氣噪聲是一種空氣動力性噪聲，其頻譜是連續(xù)的。頻率范圍極寬，從幾十赫到幾千赫。頻譜中能量最大的重量落在發(fā)動機的基頻及基頻的整數(shù)倍四周。倍數(shù)越大，聲強越小。大型船用柴油機的噪聲頻譜中，低頻成分較多，甚至有次聲的頻率重量。所以，柴油機廠家應將柴油機的噪聲頻譜曲線圖，供應給船舶設計部門用來選擇消音器，但應當留意，廠家的噪聲頻譜圖只是擔心

6、裝鍋爐和消音器前的數(shù)據(jù)。在MCR時測量噪聲等級時，距離排氣管出口1米，并與排氣流向成30角。根據(jù)遠場理論，距離翻倍，噪聲等級月降低6分貝。比如常見的吸能型的消音器，通過消音器中心管道的廢氣流速約為35米/秒，通常在MCR時的壓力損失為20毫米水柱。煙囪排氣管靠近駕駛室和生活區(qū)，是上建外圍主要聲音污染源之一。從ILO和SOLAS公約的角度，也都對噪聲掌握供應了法定依據(jù)，根據(jù)海安會決議MSC.337(91)通過的噪聲等級規(guī)則，駕駛室兩翼要求為70分貝。而假如根據(jù)腳注8對兩翼守聽位置測量方法的建議案，臨時指南中對噪聲要求還可能更低。因此，排氣管系安裝排氣管消音器是必不可少的。新型設計的消音器包括三個

7、腔室，可以克服平凡消音器針對一個頻段的缺點，主動部件用來衰減低頻，靈敏的吸能型部件處理較高頻率，還有一個兼具主動部件和靈敏部件的組合部件。假如能很好地匹配柴油機的排氣噪聲范圍，這套裝置能有效降低噪聲，而不會增加渦輪增壓器后的背壓?；鹦窍缙鲏毫p失在柴油機低負荷的時候，部分燃燒的排氣中含有一部分未燃盡的積碳和煙灰，它們隨著柴油機排放進入排氣管系，因為排氣管系中富含氧氣，所以這不然灼熱的積碳顆?？赡軓臒焽柚信沤?，形成較高危急的火花。因此在油船、化學品船。液化氣運輸船和某些載運部分化學品的PSV上，排氣管系統(tǒng)應當安裝火星熄滅器，通常為了節(jié)約煙囪中有效的空間、降低設備成本和削減排氣背壓，火星熄滅器和

8、消音器整合為一套設備，這就是火星熄滅消音器?；鹦窍缙魇菈航迪喈敶蟮囊徊糠忠蛩?，這是它固有缺點。MAN建議在MSR時，通過消音器或火星熄滅器的綜合壓力損失不超過100毫米水柱。同樣這也依靠于是夠排氣系統(tǒng)還有其他的EGB，假如擔心裝廢氣鍋爐，也可以允許壓力損失為200毫米水柱。船用火星熄滅消聲器大致可分為干式和濕式兩種。干式主要是通過轉(zhuǎn)變排氣氣流的流程，使氣流緩慢流淌，并產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，使氣體內(nèi)的火星充分燃燒，而未燃盡的灰粒與壁或網(wǎng)板相撞，達到熄滅火星的目的，灰粒集中排至灰箱或隨氣流排人大氣中。濕式主要是氣流進入消聲器后旋轉(zhuǎn)并慢速流淌，在與水幕充分接觸后，達到撲滅火星的目的。熄滅后的污穢灰水流至艙底。

9、其特點是流程短，結(jié)構(gòu)緊湊，滅火效果好，阻力低。缺點是若用淡水，則消耗淡水不經(jīng)濟；若用海水則消聲器腐蝕嚴重，壽命短。吉米哥提示一點，在船舶管系設計時，這些含有煙灰的廢液，在規(guī)范上視為易燃液體，比如BV規(guī)范第5.10.1條就有這樣的定義。綜上，排氣管布置時考慮的排氣量可從柴油機廠家資料上查詢，假如廠家資料沒有供應，設計人員可以參考輪機設計手冊。下圖為MAN柴油機排氣量計算公式如何測量背壓？排氣管上的總壓力包括動態(tài)壓力和靜壓力，動態(tài)壓力來自排氣流速，靜壓力為流速為零時的管壁壓力，這個很好理解，比我我們在車間做封閉管系的靜水壓力試驗，此時的壓力就只有靜壓力。而管子上不同位置，排氣流速是不同的，所以選擇

10、合適的地方測量總的背壓就很重要，我們在試航是測量的壓力原則上就指示的氣流靜壓力。因此選擇的點最好在直通管段，并且遠離其他障礙物，這時的靜壓力就比較穩(wěn)定。否則在過渡部分測量背壓，壓力是不穩(wěn)定的變化量。所以系統(tǒng)總背壓測量點，我們通常選擇在增壓器之后的直管段。原來此處插入一張吉米哥試航時某船排氣管背壓測量照片，惋惜在電腦中沒找到，下圖來自scania船用柴油機資料，僅供參考。此裝置為常見的U型壓力計，船廠可以外購，也可以自己制作，原理猶如密性試驗的U形管。3.排氣管安裝膨脹節(jié)正常狀況下，假如主機不運行，環(huán)境溫度大約為20度至40度，而主機運行時，排氣管溫度甚至可以達到200，這就要求排氣管能承受冷熱

11、變形。為此，在渦輪增壓器之后設置不銹鋼膨脹節(jié)，選用波形膨脹節(jié)時必需使該膨脹節(jié)的允許伸縮量大于該段管子的可能膨脹量。依據(jù)膨脹節(jié)的詳細特性，有時也可考慮一定的預壓縮量。膨脹節(jié)安裝時，不允件有扭轉(zhuǎn)變形，應先將膨脹節(jié)和管路接好后，在動車前再拆除定位螺桿（必需用擰松螺母的方法，肯定避免用氣割）。吉米哥在某艘船上就遇到過類似情形，不銹鋼膨脹節(jié)沒有保護好，結(jié)果被機艙施工的點焊渣濺落在上面。下圖為點焊焊渣灼傷的膨脹節(jié)。膨脹節(jié)有導管或外表假如標有流向標志，安裝時不得應留意方向。對膨脹節(jié)的波紋管部分必需進行嚴格地保護，不得承受排氣管等的附加重量，膨脹節(jié)也不應設置在管道彎曲處。彈性吊架、彈性支承和導向支架除了膨脹節(jié)

12、外，還應當留意在排氣管系合適管段設置固定支承、彈性支承或彈性吊架。依照下圖所示，在膨脹節(jié)上方的管段布置固定支架，在在轉(zhuǎn)角處設置彈性支承，其他平直段設置彈性吊架。在獨立膨脹段內(nèi)，一般不得設置2個或2個以上膨脹節(jié)及其它補償元件。也就是說要根據(jù)剛?cè)岵脑瓌t來安裝支承間。在MAN的說明書中，如前文插圖所示，還推薦在機艙棚的煙囪里，長的管段沿高度方向布置滑動導向支架。防雨帽為了防雨，排氣管穿過煙囪頂處應當設置活絡帽蓋，吉米哥在某些船上發(fā)覺，此處間隙較大，一方面不利于焊接，另一方面排氣管頂部晃動較大。其實，依據(jù)行業(yè)標準，這里還應當填充無石棉絕緣材料，比如下面的設計節(jié)點就挺合理。排氣管末端長時間未營運的船

13、舶，假如不經(jīng)常啟動柴油機，你會發(fā)覺煙囪頂上的排氣管末端有鳥巢，假如鳥巢落入排氣管豈不損壞了消音器，也不排飛鳥作死掉進排氣管。出于安全考慮，吉米哥建議在末端安裝鋼絲網(wǎng)進行防墜落保護，這個網(wǎng)不能視作止焰器。當然，我也曾在見過更加豪華裝修的煙囪頂。排氣管材料和連接件規(guī)范規(guī)定排氣管及其附件的材料應耐排氣腐蝕，以及適合預期的的最高溫度。溫主機排溫管上限往往根據(jù)250考慮管子材料，而焚燒爐的排溫則更高，所以焚燒爐的排氣管通常選擇熔點更高的不銹鋼管，而非碳鋼。法蘭密封墊片應選擇石墨纏繞墊片。緊固螺栓應經(jīng)過發(fā)黑處理，不得采用鍍鋅件，并且在安裝時螺紋部分應涂石墨粉。螺栓長度要合適，根據(jù)安裝慣例，至少應露出2-3

14、到螺牙，別像下圖。規(guī)范要求排氣管上應設有泄放措施，尤其低于廢氣鍋爐的排氣管上，以防水進入發(fā)動機。而當排氣管為水冷時，其布置還能自動泄放舷外。后者指濕式排氣管，而本文主要內(nèi)容針對干式排氣管系，文末將簡潔介紹。隔熱材料前文梯道在設計排氣管時，排氣管溫度通?？紤]為250，而根據(jù)SOLAS公約的要求，超過220的熱表面并且應為燃油系統(tǒng)故障受影響的熱表面，應進行適當隔熱。因而實船布置時，排氣管上方應避免布置油管及其油柜，以防油滴泄露至排氣管上。當不可避免時，應采取有效措施，確保不使油滴落在排氣管上。排氣管及其法蘭處應與燃油柜有一定距離，建議不小于1m，燃油管與排氣管之間也應有一定的距離，尤其要留意燃油管

15、的連接法蘭部位，應有措施防止法蘭處可能因損壞而將燃油噴至排氣管上。一般都采用包扎絕緣層來達到隔熱目的，隔熱材料必需是不可燃的，隔熱層需采用防止油或燃油滲透的隔熱材料。隔熱材料包覆后再用鋼絲纏繞，最終加持鍍鋅白鐵皮鎧甲。排氣管的聯(lián)通大多數(shù)的船舶一機/爐都設置單獨的排氣管，但并不排解柴油機之間的排氣管、或柴油機與鍋爐排氣管互通的可能，比如BV規(guī)范這樣要求：來自不同發(fā)動機、廢氣鍋爐或者經(jīng)濟器排氣不應通到同一排氣總管，除非每一排氣管設有合適的隔離裝置。來自鍋爐的煙道與公共煙囪相連應在足夠的高度分別，以防止一臺運行的鍋爐煙氣進入一臺停止運行的鍋爐。對燃油和廢氣交替使用的鍋爐，來自發(fā)動機的排氣管，應設有隔離設備和安全裝置，以防止隔離設備不在關(guān)閉位置時，啟動燃油燃燒單元。前文提到濕式排氣管，最終簡潔介紹干式排氣管與濕式排氣管的區(qū)分。干式排氣管最好是垂直出口段的情形，它的安裝必需削減高溫柔火災的危急，所以規(guī)范中要求排氣管和消音器，要么水冷，要么隔熱，而隔熱針對干式，水冷就是濕式排氣管。假如柴油機排氣管在尾部、舷側(cè)或靠近水線，那么通常建議采用濕式排氣管。你能想象，一“腳”油門下去的推